Расширенный рабочий процесс для получения высококачественных инкрементных ядер - новые методы и устройства
Summary
Здесь мы представляем протокол о том, как избежать микротрещин в приращенных кернах путем применения аккумуляторной дрели с множителем крутящего момента, чтобы минимизировать проблемы при забивании деревьев, а также ее влияние на подготовку длинных микросекций. Этот протокол также включает в себя процедуру заточки кореров в полевых условиях.
Abstract
В дендроэкологических исследованиях точное датирование каждого отдельного кольца роста является основным требованием для всех исследований, уделяя особое внимание только вариациям ширины кольца, химическому или изотопному анализу или анатомическим исследованиям древесины. Независимо от стратегии отбора проб для определенного исследования (например, климатологии, геоморфологии), способ отбора проб имеет решающее значение для их успешной подготовки и анализа.
До недавнего времени для получения образцов керна, которые можно было отшлифовать для дальнейшего анализа, было достаточно использовать (более или менее) резкий приращивание. Поскольку анатомические характеристики древесины могут быть применены к длинным временным рядам, необходимость получения высококачественных приращающих стержней приобрела новое значение. По сути, корер должен быть острым при использовании. При забивке дерева вручную возникают некоторые проблемы в обращении с корером, в результате чего скрыто возникают микротрещины вдоль всего керна: при начале сверления вручную сверло сильно прижимается к коре и самому внешнему кольцу до тех пор, пока нить полностью не войдет в ствол. При этом сверло перемещается вверх и вниз, а также в сторону. Затем корер просверливается до самого ствола; однако необходимо останавливаться после каждого поворота, менять сцепление и снова поворачиваться. Все эти движения, а также старт/стоп-коринг создают механическую нагрузку на ядро. Образовавшиеся микротрещины делают невозможным создание сплошных микроразрезов, так как они разваливаются вдоль всех этих трещин.
Мы представляем протокол преодоления этих препятствий путем применения новой методики с использованием аккумуляторной дрели для минимизации этих проблем при забивании дерева, а также ее влияния на подготовку длинных микросрезов. Этот протокол включает в себя подготовку длинных микросечений, а также процедуру заточки кореров в полевых условиях.
Introduction
Дендроэкологические исследования основаны на различных характеристиках ростовых колец у деревьев, как однолетних, так и иных. «Предшествующая» дисциплина дендрохронологии была создана с использованием вариаций ширины кольца в качестве параметра, чтобы просто датировать кольца и, как следствие, установить длинные хронологии. Поэтому множество других характеристик, таких как изменения плотности, изотопные концентрации или анатомические характеристики древесины, используются для корреляции отдельных колец или их структуры и содержания с параметрами окружающей среды, чтобы лучше понять влияние условий окружающей среды на рост деревьев с течением времени.
Дендроэкология, как и дендроклиматология, приобрела все большее значение в экологических исследованиях, главным образом в реконструкции прошлых климатических условий 1,2,3. Для этого кольца бесчисленных деревьев должны быть детально проанализированы. Хотя существуют некоторые методы определения ширины и плотности колец деревьев (например, с помощью технологии акустических волн4 или сопротивления бурению 5,6), на сегодняшний день не существует надежного «неразрушающего» метода извлечения характеристик колец из деревьев. Для очень детального анализа кольцевых характеристик внутри дерева или для оценки прироста базальной площади было бы лучше вырезать диски из деревьев, представляющих интерес7. Это потребует вырубки всех потенциальных деревьев, представляющих интерес для конкретных анализов. Принимая во внимание огромное количество деревьев, анализируемых во всем мире каждый год, эта стратегия отбора проб неосуществима. Несмотря на трату невероятного количества ресурсов, эта стратегия просто слишком дорогая. В связи с этим в исследовании древесных колец8 было установлено использование штопораторов приращения. Использование инкрементных корнеров позволяет осуществлять минимально инвазивное извлечение древесных стержней из стеблей, начиная с коры и достигая (в оптимальных случаях) косточки дерева9.
Хотя кернирование вызывает травму стебля -отверстия диаметром ~1 см – деревья способны закрыть эту рану за счет повышенного образования древесины в непосредственной близости от отверстия ядра. Недостатком, помимо самого отверстия, является появление «зоны компартментализации», области вокруг отверстия, где клетки заполнены фенолами, чтобы предотвратить потенциальное распространение грибков, начиная с отверстия10,11. Насколько нам известно, до сих пор нет никаких доказательств того, что постепенное засорение вызывает значительное увеличение частоты гниения деревьев, по крайней мере, в нетронутых высокогорных лесных насаждениях для Picea abies12 и нескольких лиственных пород в умеренном лесу13.
Хотя этот стандарт выборки применяется в течение десятилетий во всем мире, некоторые проблемы все еще остаются. Одним из них является тот факт, что сердечники приходится брать вручную без какой-либо механической поддержки, что занимает много времени и довольно утомительно через некоторое время. Для облегчения отбора проб было опробовано несколько (более или менее практичных) стратегий, таких как использование бензопил, оснащенных коронером вместоцепи 14,15,16,17. Использование бензопил было предпочтительнее дрелей, поскольку последние были недостаточно мощными; однако эта идея не прижилась из-за большого веса бензопилы и необходимого топлива.
В последние годы анатомические методы древесины значительно эволюционировали и были интегрированы в дендроэкологические исследования18,19. Однако способность анализировать анатомические параметры древесины в течение длительных периодов времени путем вырезания микросечений из приращенных кернов привела к неожиданным проблемам. Часто микросекционные участки, взятые из стержней, разбивались на мелкие кусочки, что делало невозможным получение когерентных разрезов (рисунок 1). Эта проблема была вызвана ручной техникой забивки деревьев и нерезких кореров. Механическое воздействие, оказываемое на древесину во время бурения, привело к микротрещинам в сердцевине. Эти микротрещины никогда не были замечены при макроскопическом исследовании сердечников приращения и, следовательно, никогда не представляли проблемы.
Ручное забивание производится путем размещения рукоятки на заднем конце корера, прижимания наконечника резьбой к штоку и начала поворачивать рукоятку до тех пор, пока корер не проткнет чуть более половины диаметра стебля. При этом кончик корера (очевидно) фиксируется в штоке, но задний конец корера, повернутый рукояткой, всегда движется вбок или вверх и вниз, по крайней мере, до тех пор, пока буровая головка не будет полностью ввинчена в ствол, давая большее наведение и стабильность кореру. В результате высокого давления и движения штопора сердечники приращения часто искажаются в пределах ~5 см (рисунок 1). Даже если трение при повороте сведено к минимуму, другой процесс оказывает нагрузку на сердечник приращения внутри корера. Ручное забивание не допускает непрерывного движения режущей кромки корера внутри стебля. Можно сделать максимум один полный оборот, прежде чем остановиться, чтобы изменить сцепление, а затем продолжить бурение. Каждый раз, когда вращение возобновляется, ядро слегка скручивается до тех пор, пока трение не будет преодолено и дрель снова не вращается. Эти механические напряжения потенциально вызывают микроскопические трещины в структуре сердечников.
Это механическое напряжение даже увеличивается, когда режущая кромка корера не острая. Видимым признаком для нерезкого корера является неровная поверхность ядра, показывающая множество трещин вдоль всего его расширения20 (рисунок 2). Частота заточки зависит от плотности деревьев, подлежащих орошению, и минералов или песка, присутствующих в коре дерева, подлежащего орошению. В общем, не следует предполагать, что новые кореры острые. На сегодняшний день заточка корера практически никогда не делается в полевых условиях из-за сложности этого, так как это приходится делать вручную и требует большого опыта11,20.
Подводя итог, можно сказать, что ручное бурение и нерезкие режущие кромки приводят к микротрещинам, возникающим в взятых сердечниках. До настоящего времени эти проблемы не анализировались систематически, не предпринимались попытки найти решения. В этой статье представлен протокол преодоления этих препятствий путем сравнения метода ручного бурения с применением нового метода. Мы предлагаем использовать аккумуляторную дрель, оснащенную специальным адаптером для приращивания штопора. Мы представляем, в какой степени проблемы сведены к минимуму при забивании дерева, а также влияние непрерывного механического отбора на подготовку длинных микросечений. Этот протокол включает в себя подготовку длинных микросрезов с использованием водорастворимой ленты в качестве вспомогательного средства и процедуру заточки кореров в полевых условиях.
Protocol
Representative Results
Discussion
Значительное включение анатомии древесины в дендроэкологические исследования23,24, а также интенсивный обмен между учеными, специализирующимися на исследованиях древесных колец, и анатомами древесины25, открыли широкое поле для нового и углубленного анализа прошлых условий окружающей среды. Эти новые исследования открыли новые возможности и вопросы, но также породили новые проблемы.
Быстрое развитие этой новой эры «дендроанатомии» требует большого количества образцов, что, безусловно, поддерживается использованием аккумуляторной дрели, как объяснялось ранее. Помимо того, что взятие кернов с дрелью совсем не утомительно, это экономит массу времени. Хотя результаты, представленные в этом документе, подразумевают возможности выборки, которые в шесть раз быстрее, чем ручное бурение, это тест для одиночных ядер. Тем не менее, во время регулярного отбора проб (один человек забивал, с одним кодированием и хранением кернов) нам удалось задержать 24 ели (два ядра полной длины каждый), с диаметром стебля около 80 см, в течение 1,5 ч. Это в среднем <2 минуты для одного ядра, включая хранение, упаковку и перемещение к следующему дереву.
Быстрая обработка всего процесса поддерживается тем фактом, что недавно разработанный адаптер для инкрементных упоров может использоваться без необходимости фиксации штопора внутри адаптера винтом или сопоставимыми затворами. В результате замена сверла на рукоятку корера для разрушения и извлечения керна происходит быстро и легко. Адаптер спроектирован таким образом, что можно даже вытащить корер во время сверления назад в случае, если стебель гнилой, или (как это часто бывает с некоторыми приращающими упорами), если резьба не захватывает при повороте назад, и корер не выходит.
Однако следует отметить, что при снятии корера со штока нужно слегка наклонить переходник, чтобы его можно было успешно вытащить без соскальзывания дрели (протокол шаг 2.8). Растущий спрос на исследования древесных колец для создания длинных хронологий на основе анатомических прокси19,26 потребовал подготовки микросекреций из приращенных стержней, разрезанных на куски перед подготовкой или разрезанных как целые микросекции22. Хотя качество микросечений длиной до 40 см все еще не всегда сопоставимо с короткими срезами (например, переменный угол клеток в их вертикальном расширении часто затрудняет измерения клеточной стенки), их можно использовать для идентификации и датирования конкретных реакций роста как возникновения реакционной древесины или синих колец27 (рисунок 6).
Следовательно, качество образцов является основной предпосылкой для успешной подготовки и дальнейших анализов анатомических структур. Это требование требует большей осторожности в отношении резкости выборочной кампании при взятии инкрементных ядер. Как следствие, подготовка микросекций может быть очень трудоемкой и трудоемкой, а иногда даже невозможной, если образцы не встраиваются предварительно28.
Заточка режущей кромки приращенного штопорщика вручную требует большой практики и опыта, чтобы равномерно шлифовать край вручную без какой-либо поддержки. Возможность использования нового сверлильного крепления для заточки приращающихся стержней позволяет даже пользователям, неопытным в заточке, затачивать режущую кромку своих укупоров в полевых условиях. Тот факт, что это сейчас можно сделать быстро, повысит качество взятых проб в будущем.
Хотя использование нового оборудования показывает явные преимущества для последующей обработки кернов, аккумуляторную дрель также можно было комбинировать с небольшими устройствами для заточки, разработанными и представленными почти 40 лет назад20. Maeglin20 представил конструктивные детали модификации «Точилки Гудчайлда» из дерева и металла29. В настоящее время это устройство можно моделировать и печатать на 3D-принтере без каких-либо проблем30. Нужно будет только создать подробную 3D-модель точилки, чтобы напечатать отдельные детали и собрать ее для использования в полевых условиях. Возможности для совершенствования еще не исчерпаны и мы уверены, что эта публикация вдохновит многих коллег на дальнейшее развитие представленных здесь инструментов. Еще не решенным препятствием является тот факт, что нужно снять дрель и добавить ручку корера для извлечения керна.
Заключительный этап резки микросекреций целых приращающихсястержней 22 по-прежнему является сложным вопросом. Применение водорастворимой ленты, как описано ранее, поддерживает процесс, стабилизируя сечение при резке и укладывая его на стеклополк. Тем не менее, эта процедура по-прежнему требует от пользователя высокого уровня опыта.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Никакой.
Materials
| BS 18 LTX-3 BL QI | Metabo | 0 | Cordless drill |
| Core-microtome | WSL | 0 | Microtome to cut micro sections from increment cores |
| Drill adapter for increment corer | WSL | 0 | Adapter to fix the increment corer on the cordless drill |
| Increment corer | Haglöff | 0 | 40cm increment corer |
| Power X3 | Metabo | 0 | Torque amplifyer |
| Sharpening support board | WSL | 0 | Board to attach the cordless dril to sharpen the cutting edge ofd the corer |
| Water-soluble tape 5414, transparent 3/4IN | 3M | 0 | Transparent tape to support cutting long sections |
References
- Büntgen, U. Scrutinizing tree-ring parameters for Holocene climate reconstructions. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change. , 778 (2022).
- Hadad, M. A., González-Reyes, &. #. 1. 9. 3. ;., Roig, F. A., Matskovsky, V., Cherubini, P. Tree-ring-based hydroclimatic reconstruction for the northwest Argentine Patagonia since 1055 CE and its teleconnection to large-scale atmospheric circulation. Global and Planetary Change. 202, 103496 (2021).
- Shen, Y., et al. Effects of climate on the tree ring density and weight of Betula ermanii in a cool temperate forest in central Japan. Trees. , 1-9 (2022).
- Wang, X. Acoustic measurements on trees and logs: a review and analysis. Wood Science and Technology. 47 (5), 965-975 (2013).
- Downes, G. M., et al. Application of the IML Resistograph to the infield assessment of basic density in plantation eucalypts. Australian Forestry. 81 (3), 177-185 (2018).
- Tomczak, K., Tomczak, A., Jelonek, T. Measuring radial variation in basic density of pendulate oak: comparing increment core samples with the Iml power drill. Forests. 13 (4), 589 (2022).
- Piene, H., D’Amours, J., Bray, A. A. Spruce budworm defoliation and growth loss in young balsam fir: estimation of volume growth based on stem analysis and increment cores at breast height. Northern Journal of Applied Forestry. 13 (2), 73-78 (1996).
- Phipps, R. L. Collecting, Preparing, Crossdating,and Measuring Tree Increment Cores. US Department of the Interior, Geological Survey. , (1985).
- Schweingruber, F. H. . Tree Rings and Environment: Dendroecology. , (1996).
- Toole, E. R., Gammage, J. L. Damage from increment borings in bottomland hardwoods. Journal of Forestry. 57 (12), 909-911 (1959).
- Grissino-Mayer, H. D. A manual and tutorial for the proper use of an increment borer. Tree-Ring Research. 59 (2), 63-79 (2003).
- Wunder, J., et al. Does increment coring enhance tree decay? New insights from tomography assessments. Canadian Journal of Forest Research. 43 (8), 711-718 (2013).
- Helcoski, R., et al. No significant increase in tree mortality following coring in a temperate hardwood forest. Tree-Ring Research. 75 (1), 67-72 (2019).
- Hall, A. A., Bloomberg, W. J. A power-driven increment borer. The Forestry Chronicle. 60 (6), 356-357 (1984).
- Scott, J. H., Arno, S. F. Using a power increment borer to determine the age structure of old-growth conifer stands. Western Journal of Applied Forestry. 7 (4), 100-102 (1992).
- Krottenthaler, S., et al. A power-driven increment borer for sampling high-density tropical wood. Dendrochronologia. 36, 40-44 (2015).
- Caetano-Andrade, V. L., et al. Advances in increment coring system for large tropical trees with high wood densities. Dendrochronologia. 68, 125860 (2021).
- Edwards, J., et al. Intra-annual climate anomalies in northwestern North America following the 1783-1784 CE Laki eruption. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 126 (3), 033544 (2021).
- Zhirnova, D. F., et al. A 495-year wood anatomical record of Siberian stone pine (Pinus sibirica Du Tour) as climatic proxy on the timberline. Forests. 13 (2), 247 (2022).
- Maeglin, R. R. . Increment Cores: How to Collect, Handle, and Use Them. 25, (1979).
- Gärtner, H., et al. A technical perspective in modern tree-ring research – how to overcome dendroecological and wood anatomical challenges. Journal of Visualized Experiments. (95), e52337 (2015).
- Gärtner, H., Banzer, L., Schneider, L., Schweingruber, F. H., Bast, A. Preparing micro sections of entire (dry) conifer increment cores for wood anatomical time-series analyses. Dendrochronologia. 34, 19-23 (2015).
- Rodriguez, D. R. O., et al. Exploring wood anatomy, density and chemistry profiles to understand the tree-ring formation in Amazonian tree species. Dendrochronologia. 71, 125915 (2022).
- Gärtner, H., Farahat, E. Cambial activity of Moringaperegrina (Forssk.) Fiori in arid environments. Frontiers in Plant Science. 12, 760002 (2021).
- von Arx, G., et al. Q-NET-a new scholarly network on quantitative wood anatomy. Dendrochronologia. 70, 125890 (2021).
- Seftigen, K., et al. Prospects for dendroanatomy in paleoclimatology-a case study on Picea engelmannii from the Canadian Rockies. Climate of the Past. 18 (5), 1151-1168 (2022).
- Matulewski, P., Buchwal, A., Gärtner, H., Jagodziński, A. M., Čufar, K. Altered growth with blue rings: comparison of radial growth and wood anatomy between trampled and non-trampled Scots pine roots. Dendrochronologia. 72, 125922 (2022).
- Prislan, P., del Castillo, E. M., Skoberne, G., Špenko, N., Gričar, J. Sample preparation protocol for wood and phloem formation analyses. Dendrochronologia. 73, 125959 (2022).
- Heinrichs, J. F. Pocket-sized sharpender for increment borers. Journal of Forestry. 62, 653 (1964).
- Schneider, L., Gärtner, H. Additive manufacturing for lab applications in environmental sciences: pushing the boundaries of rapid prototyping. Dendrochronologia. 76, 126015 (2022).
